⚛️ general relativity

Exploring the presence of a fifth force at the Galactic Center

Door astrometrische en spectroscopische data van ster S2 van 1992 tot 2022 te analyseren, hebben onderzoekers de strengste bovengrens tot nu toe vastgesteld voor de intensiteit van een mogelijke vijfde kracht in het galactisch centrum, wat de eerdere schattingen met ongeveer een orde van grootte verbetert.

Oorspronkelijke auteurs: The GRAVITY Collaboration, K. Abd El Dayem, R. Abuter, N. Aimar, P. Amaro Seoane, A. Amorim, J. P. Berger, H. Bonnet, G. Bourdarot, W. Brandner, V. Cardoso, Y. Clénet, R. Davies, P. T. de Zeeuw, A. Dr

Gepubliceerd 2026-02-25

📖 5 min leestijd🧠 Diepgaand

CC BY 4.0

Oorspronkelijke auteurs: The GRAVITY Collaboration, K. Abd El Dayem, R. Abuter, N. Aimar, P. Amaro Seoane, A. Amorim, J. P. Berger, H. Bonnet, G. Bourdarot, W. Brandner, V. Cardoso, Y. Clénet, R. Davies, P. T. de Zeeuw, A. Drescher, A. Eckart, F. Eisenhauer, H. Feuchtgruber, G. Finger, N. M. Förster Schreiber, A. Foschi, P. Garcia, E. Gendron, R. Genzel, S. Gillessen, M. Hartl, X. Haubois, F. Haussmann, T. Henning, S. Hippler, M. Horrobin, L. Jochum, L. Jocou, A. Kaufer, P. Kervella, S. Lacour, V. Lapeyrère, J. -B. Le Bouquin, P. Léna, D. Lutz, F. Mang, N. More, J. Osorno, T. Ott, T. Paumard, K. Perraut, G. Perrin, S. Rabien, D. C. Ribeiro, M. Sadun Bordoni, S. Scheithauer, J. Shangguan, T. Shimizu, J. Stadler, O. Straub, C. Straubmeier, E. Sturm, L. J. Tacconi, I. Urso, F. Vincent, S. D. von Fellenberg, E. Wieprecht, J. Woillez

Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer

Titel: Is er een 'Geheime Vijfde Kracht' verborgen in het hart van ons Melkwegstelsel?

Stel je voor dat je een enorme, onzichtbare danszaal hebt: ons Melkwegstelsel. In het midden van deze zaal staat een gigantische, zware dansmeester: een superzwaar zwart gat genaamd Sagittarius A*. Om deze dansmeester heen draait een snelle, jonge danseres: de ster S2.

Wetenschappers kijken al decennia naar hoe deze ster beweegt. Volgens de regels van Albert Einstein (de Algemene Relativiteitstheorie) zou S2 een heel specifieke dans moeten doen. Maar wat als er een geheime, onzichtbare kracht is die de dans een beetje verstoort? Een zogenaamde "vijfde kracht"?

In dit nieuwe onderzoek hebben de wetenschappers van het GRAVITY-team gekeken of zo'n kracht bestaat. Hier is wat ze hebben gevonden, vertaald in begrijpelijke taal:

1. Het probleem: De regels zijn niet helemaal compleet

We weten dat de zwaartekracht (zoals beschreven door Einstein) heel goed werkt in ons zonnestelsel. Maar er zijn nog steeds mysterieuze dingen in het heelal, zoals donkere materie en de versnelling van de uitdijing van het heelal, die we niet helemaal begrijpen.

Sommige theorieën zeggen: "Misschien is er een extra kracht die we nog niet zien." Deze kracht zou werken als een Yukawa-kracht.

De Analogie: Stel je voor dat de zwaartekracht een magneet is. Normaal gesproken werkt een magneet alleen als je er heel dichtbij bent. Maar deze 'vijfde kracht' zou werken als een magneet die een beetje 'plakt' op een bepaalde afstand, maar dan heel snel weer verdwijnt als je te ver weg bent. Het is alsof er een onzichtbare elastiek is dat de ster S2 een klein beetje extra trekt of duwt, afhankelijk van hoe ver hij van het zwarte gat af is.

2. De oplossing: De allerbeste camera ter wereld

Om te zien of die 'elastiek' er is, heb je een heel scherp oog nodig. In het verleden keken we naar S2 met goede telescopen, maar het was alsof je probeerde een muis te zien die in de regen loopt: je zag wel iets, maar niet scherp genoeg om te zeggen of het een muis of een rat was.

Nu hebben we GRAVITY. Dit is een instrument aan de Very Large Telescope (VLT) in Chili.

De Analogie: Als de oude telescopen een gewone bril waren, dan is GRAVITY een laser-geleide microscoop. Het kan de positie van de ster S2 meten met een precisie die zo klein is dat het lijkt alsof je een muntstuk op de maan kunt zien bewegen.

De wetenschappers hebben alle data van S2 van 1992 tot 2022 samengevoegd, maar de nieuwe, super-scherpe metingen van GRAVITY (van 2016-2022) waren de sleutel.

3. Wat hebben ze gevonden?

Ze hebben een enorme computerberekening (een 'Markov Chain Monte Carlo' analyse, klinkt als een ingewikkeld bordspel, maar het is eigenlijk gewoon het proberen van miljoenen mogelijke scenario's) gedaan om te kijken of de beweging van S2 beter past bij:

Alleen de zwaartekracht van Einstein.
Zwaartekracht + die geheime 'vijfde kracht'.

Het resultaat?
De ster S2 dansde precies zoals Einstein voorspelde. Er was geen spoor van die extra kracht te vinden.

Maar hier is het mooie: omdat hun camera zo scherp was, kunnen ze nu zeggen: "Als er wel een kracht is, moet hij zo zwak zijn dat we hem niet kunnen zien."

De Nieuwe Limiet: Ze hebben de grens voor deze mogelijke kracht tien keer scherper getrokken dan voorheen.
De Meting: Voor een bepaalde afstand (ongeveer 200 keer de afstand van de Aarde tot de Zon), mag de kracht niet sterker zijn dan 0,003 (dus 0,3% van de normale zwaartekracht).

4. Waarom is dit belangrijk?

Stel je voor dat je een muur bouwt. Voorheen wisten we dat de muur niet hoger kon zijn dan 10 meter. Nu, dankzij deze nieuwe metingen, weten we dat de muur niet hoger kan zijn dan 1 meter.

Dit is cruciaal voor de toekomst:

Het sluit veel theorieën uit die zeggen dat er een sterke 'vijfde kracht' is.
Het helpt ons te begrijpen waarom we die kracht in ons zonnestelsel niet zien (misschien is hij daar 'afgeschermd', maar in het extreme milieu van een zwart gat wel zichtbaar? Nee, zelfs daar niet!).
Het geeft ons een betere kaart van hoe het heelal echt werkt.

Conclusie

De wetenschappers hebben met hun super-scherpe 'laser-microscoop' gekeken naar de dans van ster S2 rond het zwarte gat. Ze hebben geen 'geheime danspartner' (de vijfde kracht) gevonden.

Dit betekent dat de regels van Einstein nog steeds de baas zijn, zelfs in het meest extreme deel van ons melkwegstelsel. En als er toch een extra kracht is, dan is hij zo flauw en zwak, dat we voorlopig nog even moeten wachten tot we een nog scherpere camera hebben om hem te zien.

Kortom: Geen nieuwe kracht gevonden, maar wel een heel strakke bewijslast dat de oude regels nog steeds perfect werken!

Titel: Onderzoek naar de aanwezigheid van een vijfde kracht in het Galactisch Centrum

1. Het Probleem en de Context

De algemene relativiteitstheorie (GR) is tot nu toe de meest succesvolle theorie voor zwaartekracht, maar er blijven fundamentele onverenigbaarheden bestaan, zoals de aard van donkere energie en donkere materie, en het ontbreken van een kwantumtheorie van zwaartekracht. Veel uitbreidingen van de algemene relativiteitstheorie (Extended Theories of Gravity - ETG) voorspellen een "vijfde kracht" die zich manifesteert als een Yukawa-correctie op de Newtonse zwaartekracht.

Hoewel deze kracht op schalen van het zonnestelsel sterk beperkt is door waarnemingen van planeten en de maan, kunnen sommige theorieën een "screening-mechanisme" bevatten dat de kracht op kleine schalen onderdrukt, maar deze wel zichtbaar maakt in extreme omgevingen zoals rondom superzware zwarte gaten (SMBH). Het Galactisch Centrum, met de ster S2 die om het zwarte gat Sgr A* draait, biedt een unieke testomgeving om deze afwijkingen te zoeken op schalen die onbereikbaar zijn in het zonnestelsel.

2. Methodologie

De auteurs hebben een uitgebreide analyse uitgevoerd van de beweging van de ster S2, gebruikmakend van astrometrische (positie) en spectroscopische (snelheid) data verzameld door de Very Large Telescope (VLT) tussen 1992 en 2022.

Data: De dataset omvat:
- Astrometrie: 128 punten van SHARP/NACO (1992-2019) en 76 punten van het GRAVITY-instrument (2016-2022). De GRAVITY-data hebben een uitzonderlijk hoge precisie (ongeveer 50 micro-arcseconden).
- Spectroscopie: 102 punten van SINFONI en NIRC2 (2000-2022).
Het Model: De zwaartekrachtspotentiaal wordt gemodelleerd als:
$U = -\frac{GM}{r} \left(1 + |\alpha|e^{-r/\lambda}\right)$
Waarbij $\alpha$ de intensiteit van de interactie is en $\lambda$ de schaalparameter (bijv. Compton-golflengte van een nieuw massief veld).
Dynamica: De bewegingsvergelijkingen omvatten:
1. Newtonse zwaartekracht.
2. De Yukawa-correctie.
3. De 1PN (eerste-orde post-Newtonse) correctie, inclusief de Schwarzschild-precessie (die recentelijk met 10 $\sigma$ is gedetecteerd door GRAVITY).
Analyse: Een Markov Chain Monte Carlo (MCMC) analyse werd uitgevoerd met de Python-pakket emcee. Er werden 64 walkers gebruikt met $10^5$ iteraties. De parameters die werden gefit omvatten de baanparameters van S2, de massa van het zwarte gat ( $M$ ), de afstand tot het centrum ( $R_0$ ), en de Yukawa-parameters ( $\alpha$ en $\lambda$ ).
Aannames: De auteurs nemen aan dat de PPN-parameters $\gamma = \beta = 1$ (gelijk aan GR op 1PN-niveau), wat geldig is voor de meeste relevante ETG-theorieën. Ze negeren een uitgebreide massa-verdeling rond Sgr A* omdat eerdere GRAVITY-studies een zeer strenge bovengrens hebben vastgesteld ( $M_{ext} \lesssim 1200 M_\odot$ ).

3. Belangrijkste Bijdragen

Integratie van GRAVITY-data: Voor het eerst wordt een volledige analyse van de S2-baan uitgevoerd die de data van het GRAVITY-instrument domineert. Deze data hebben een veel kleinere onzekerheid dan eerdere metingen (NACO/SHARP), wat de gevoeligheid voor kleine afwijkingen drastisch verhoogt.
Inclusie van Schwarzschild-precessie: In tegenstelling tot eerdere werken (zoals Hees et al. 2017) die geen precessie includeerden of een uitgebreide massa-verdeling aannamen, neemt dit model de gedetecteerde Schwarzschild-precessie expliciet mee.
Vergelijking met Theoretische Modellen: De auteurs vergelijken hun gebruikte 1PN-versnelling met specifieke uitdrukkingen uit de literatuur voor massieve Brans-Dicke-theorieën en $f(R)$ -gravitatie, en tonen aan dat hun benadering robuust is voor het bepalen van de bovengrens van $\alpha$ .

4. Resultaten

De analyse levert de volgende resultaten op voor de intensiteit van de Yukawa-correctie ( $|\alpha|$ ) als functie van de schaal $\lambda$ :

Optimale Beperking: De strengste beperking wordt gevonden wanneer de schaal $\lambda$ $λ$ vergelijkbaar is met de baanstraal van S2 ( $r_{S2} \approx 1.7 \cdot 10^{13}$ $r_{S 2} \approx 1.7 \cdot 1 0^{13}$ m tot $1.5 \cdot 10^{14}$ $1.5 \cdot 1 0^{14}$ m).
- Voor $\lambda = 3 \cdot 10^{13}$ m ( $\sim 200$ AU) wordt een bovengrens van $|\alpha| < 0.003$ vastgesteld (95% betrouwbaarheidsinterval).
Verbetering: Dit resultaat is ongeveer één orde van grootte nauwkeuriger dan eerdere schattingen (bijv. Hees et al. 2017, die $|\alpha| < 0.016$ vonden voor een vergelijkbare schaal).
Regimes:
- Voor $\lambda \ll r_{S2}$ is de versnelling onafhankelijk van $\alpha$ en kunnen er geen zinvolle beperkingen worden gesteld.
- Voor $\lambda \gg r_{S2}$ zijn de parameters $M$ en $\alpha$ volledig ontaard (de Yukawa-term werkt als een herschaling van de massa), waardoor ze niet apart kunnen worden beperkt zonder extra aannames.
Graviton-massa: Als de interactie wordt bemiddeld door een massief boson (waarbij $\alpha=1$ ), kan de gevonden ondergrens voor $\lambda$ ( $\lambda \gtrsim 8 \cdot 10^{14}$ m) worden omgezet in een bovengrens voor de massa van het graviton: $m_g \lesssim 2.5 \cdot 10^{-22}$ eV.
Precessie: De door de Yukawa-term geïnduceerde precessie is compatibel met de waargenomen Schwarzschild-precessie binnen de 2 $\sigma$ onzekerheden, wat bevestigt dat de data consistent is met GR binnen de gevonden beperkingen.

5. Betekenis en Conclusie

Dit werk stelt de tot nu toe strengste bovengrens voor de intensiteit van een mogelijke vijfde kracht in het Galactisch Centrum. De hoge precisie van de GRAVITY-instrumentatie is cruciaal voor deze verbetering.

Theoretische Impact: De resultaten sluiten een breed scala aan theorieën uit die een sterke Yukawa-correctie voorspellen op schalen van enkele honderden AU rondom superzware zwarte gaten.
Toekomstperspectief: De auteurs wijzen erop dat een analyse van meerdere sterren (S-stars), vooral die met een grotere apocenter dan S2, nodig is om de degeneratie tussen massa en $\alpha$ in het regime van grote $\lambda$ te doorbreken en de beperkingen verder te verbeteren.

Kortom, dit artikel bevestigt de geldigheid van de algemene relativiteitstheorie op schalen van het Galactisch Centrum met een ongekende precisie en biedt een nieuwe, strakke referentie voor het testen van alternatieve zwaartekrachtstheorieën.